AS－i总线在汽车尾气催化剂项目浆料平台中的应用

马 霞连云港沃利帕森工程技术有限公司上海分公司 上海200001

1 项目介绍

AS－i总线接口是英文Actuator Sensor Interface的简称，是目前最简单的和最低成本的底层现场总线，可以在简单应用中自成系统，也可以通过连接模块与各种高层总线连接。使用非常简洁、方便，与传统控制系统相比，优点有:①成本低。AS－i安装成本小于传统方式的5%;组装成本小于传统方式的75%;材料成本大约为传统方式的20%;②应用简便。AS－i的机电一体化设计使它所有的模块都具有“即插即用”的功能，即可进行“热插拨”的操作;③速度快。1个主站和31或62个从站的系统中，AS－i总线的通信周期大概是5ms或10ms，也就是说主站在5ms或10ms内就可以对31或62个从站轮流访问一遍，所有从站的输入输出操作也完成一遍;④功能可靠。AS－i总线在许多方面都采取了抗干扰措施;⑤灵活的拓扑结构，布线非常方便;⑥对所有流行总线开放。

基于以上优点，AS－i总线在各行各业的自动化场合中得到广泛使用。某汽车尾气催化剂项目，是生产对汽车尾气进行净化处理的催化剂产品，使汽车尾气在排放到大气前，经过该催化剂产品，能更好地吸收掉汽车尾气中的有毒有害部分，使尾气达到国际要求的净化标准后再排放到大气中。该产品生产过程中采用了Hollys(和利时)的DCS系统作为主控制系统，其中，处于非防爆区的浆料平台有大量的数字信号仪表点，主要是以顺序控制为主，因为浆料中使用了一定的贵金属元素，所以对浆料原材料的配比非常严格，控制一定要做到精密、可靠。综合这些特点，最终项目选择了IFM(易福门)的AS－i总线作为底层现场总线控制系统，以此对浆料平台进行控制，并且在AS－i控制系统的网关中集合了Profibus－DP接口，因而能够通过Profibus总线与DCS控制系统进行通讯，使操作人员在DCS操作间即可实现对现场仪表的远程控制和操作。

2 AS－i总线系统主要元器件介绍

2.1 网关

网关是AS－i的“心脏”，也是AS－i总线系统中的主站(Master)，它的主要任务是将下层的I/O信号传送给上层PLC或DCS控制系统，客户可以将网关看做是一个大量I/O信号的采集卡，无论上层总线如何变化，下层I/O模块都不会受影响。当传感器和执行器被正确连接后，与PLC或DCS方面的编程会十分方便和快捷。

2.2 电源

AS－i电源是AS－i网络中不可缺少的一部分，不同于一般的直流电源，除了给AS－i回路提供30VDC电源，还负责数据去藕功能，见图1。数据信号和直流电源能在同一根电缆上传输。

整个网络在长时间过载情况下不会损坏电源，当过载故障排除后，电源可以自动恢复到正常供电状态，电压保持在29.5～31.6VDC之间，一次侧小于10ms的中断不会影响AS－i总线网络的正常运行，启动供电延时小于2s。

图1 带有数据去藕功能的AS－i专用电源电路

2.3 I/O模块

I/O模块是AS－i网络中重要的部件，也是AS－i总线系统中的从站(Slave)，它负责接受传感器的信号并传给网关，再发送PLC或DCS的指令给继电器和各种阀门等执行器。主要包括现场型和控制箱型，可以通过可移动端子或M12螺纹接头连接传感器和执行器，也可以通过扁平电缆或圆电缆连接AS－i网络。

2.4 传感器/执行器

AS－i总线特别适用于连接需要传送开关量的传感器和执行器系统:传感器可以是各种原理的位置接近开关以及温度、压力、流量、液位开关等;执行器可以是各种开关阀门，声、光报警器，也可以是继电器、接触器等低压开关电器。同时AS－i总线也可以连接模拟量设备，只是模拟信号的传输要占据多个传输周期。

2.5 AS－i电缆

AS－i总线系统常用的电缆是黄色扁平电缆。该种电缆带有机械编码式外形，具有反极性保护，放置在线槽里正负极性不会错接，不需要绞接，也不需屏蔽，现场安装非常方便。在电缆上同时传输30VDC电源和AS－i通信信号，最大的功耗为240W(30VDC，8A)。由于I/O模块的输出端口需要大的功率电流，因此可外接辅助电源供电，同样外形的黑色扁平电缆提供24VDC的辅助电源。黄色扁平电缆和黑色扁平电缆中都是2 mm×1.5 mm的电线，电线外皮一根为棕色，一根为蓝色。其中棕色线接AS－i+，蓝色线接AS－i－，黑色扁平电缆中的棕色电线接AUX+(辅助电源)，蓝色电线接AUX－(辅助电源)。需要注意的是黄色扁平电缆不仅给传感器提供电源，也传输AS－i网络里所有的通信信号，包括输入和输出信号。

扁平电缆还有一个突出优点是采用一种专门的绝缘穿刺安装方法把线压在连接件上，既简单又可靠，它采用特殊的合成橡胶作为绝缘保护层，所以当它从连接件上被拔起后，穿孔处会自动闭合，绝缘特性仍可保持，因此可以反复使用。在施工安装过程中非常方便快捷。

3 AS－i总线系统结构

AS－i总线系统多变的拓扑结构(有星型、线型、树型和环形)以及多类型的连接模块，使AS－i总线在现场安装中灵活多变，十分便捷。在AS－i总线系统中，有三类接口，分别为:传感器/执行器端接口(接口A)、传输系统接口(接口B)和控制端接口(接口C)。从站模块输入端接传感器，输出端接执行器;模块输入端的电源，由AS－i电源提供30VDC的电压，只能用于给传感器或其他输入设备供电，特殊的模块也可以通过外部辅助电源来供电，但是需要在使用前根据自身的拨码开关来选择;模块输出端的电源，一般由外部辅助电源来提供24VDC的电压，有的模块可以由AS－i电源来供电，大多数是小型模块，它们自身及输入端口的功耗非常小，输出端大多是给指示灯发送信号，所以也可以由AS－i电源来供电。其结构原理见图1。

图1 AS－i总线系统结构原理图

在该汽车尾气催化剂项目中，共采用了两种从站。一种是带有AS－i通信接口的智能传感器/执行器，在它内部装有AS－i从机专用芯片，加上一些外围元器件和存储器就构成了一体化的从站，每个一体化的从站占有一个地址码。在现场，所有的普通开关阀上均安装有凸轮和阀门驱动模块，凸轮能够显示阀门的开关状态，而阀门驱动模块使普通的开关阀变成智能型开关量执行器。另一种是分离型结构，它由专门设计的AS－i的I/O接口模块和普通的传感器/执行器构成，在I/O接口模块中带有从机专用电路，I/O接口模块和普通的传感器/执行器组合在一起成为分离型从站，每个分离型从站占有一个地址码。从机电路除了有I/O接口外还带有通信接口，通信接口用非屏蔽、非铰接的两芯电缆把主站和多个从站连接起来形成控制总线网络系统。现场所有的电磁阀、限位开关和液位开关均采用该类结构连接至AS－i系统。电磁阀、限位开关和音叉液位开关虽然都是采用的分离型结构，但是，根据它们在现场分布的特点，又选用了两种完全不同的I/O接口模块搭配使用。限位开关与电磁阀因为点数少而分散，所以采用的4DI/4DO从站模块，型号是IFM AC2257，这类模块的防护等级只有IP20，因此直接安装在AS－i控制箱内。而音叉液位开关信号因为点数多，分布比较集中，本着节约电缆的目的，选用了4DI类的 ClassicLine现场模块，型号是 IFM AC5290，该类模块具有IP67的防护功能，可以安装在液位开关点比较集中的位置，非常方便实用。

4 AS－i总线系统需要注意的问题

4.1 选型中需要注意的问题

(1)音叉液位开关信号有两种类型，一种是Namur信号，一种是机械接点式信号。Namur信号属于两线制，属于回路供电，布线简便。机械接点式音叉，则需要进行外供电，属于四线制，布线比较麻烦。在进行音叉开关选型的过程中，考虑到AS－i总线提供的是30VDC电压，而Namur信号所用电压远低于该值，在此处显然不适宜用Namur信号，因而改用机械接点式音叉开关。其外供电直接来自于配电室内的配电柜，采用的是普通1 mm×2.5 mm供电电缆。音叉信号则通过AS－i从站模块进入AS－i总线系统。但要注意的是音叉开关与AS－i从站模块之间的电缆选择，从站模块(IFM的ClassicLine现场模块)的输入是M12接口，因此一定要注意选用特定的带M12插头的电缆，不能用普通的信号控制电缆(比如1×2 mm×1.0 mm)代替，因为普通的信号控制电缆无法连接上模块。IFM的ClassicLine现场模块每个模块可以接4个音叉开关。

(2)在选用阀门上的电磁阀时，需要注意电磁阀的功率值。因为阀门上安装有一个阀门驱动模块，该模块的功率参数是100mA、2W。如果选用的电磁阀高于该参数，这阀门驱动模块不能带动电磁阀工作。经过计算验证，在项目中选用了功率为0.7W的电磁阀，完全满足模块的低功率要求。

4.2 安装中需要注意的问题

4.2.1 网络扩展问题

一般情况，AS－i总线的一个网段电缆长度不能超过100m(包括主干和支线的电缆总长度)，超过100m会影响网络上的通信质量，但在实际使用中，总线电缆超过100m的情况非常多，这就需要采取措施来扩展网络，通常有两种方法扩展网络长度。

(1)增加中继器(repeater)。

增加一个中继器可将网络长度增加100m，同时需要增加一个AS－i电源。因为中继器把整个网络分成两段，形成了电气隔离，通过光耦元器件传输信号，需要AS－i专用电源来解耦并提供能源。另外从站到主站的线路上不能超过2个中继器，因为超过两个中继器，会让最远端从站到主站的通信质量变得很差。通过中继器可以将AS－i网络最大扩展到500m，方法就是将网关放置在拓扑结构中间，再向左右两边通过中继器来扩展网络长度，见图2。

图2 把网关放置在拓扑结构中间来扩展网络长度

(2)采用终端电阻或调节器来扩展网络长度。

增加终端电阻能扩展AS－i网络到200m，或增加调节器能扩展AS－i网络到300m，其中调节器自身带有终端电阻，还可以主动调节AS－i网络的通信质量，在现场是非常有用的。安装时还需要注意调节器和终端电阻不能紧靠电源，需要将电源放置在一端，而调节器和终端电阻放置在另一端，这样AS－i系统运行起来更可靠。

本项目从楼层之间方便维护的角度考虑，采用了三个带网关的AS－i主站，每个网段的电缆长度均在100以内，无需再进行网络扩展。

4.2.2 现场施工安装问题。

现场施工安装不当会引起信号的干扰。现场安装建议:

(1)现场安装时模块需与强干扰源保持至少50cm间距，与中等干扰源保持至少10～20cm的间距，特别是在现场控制箱内，AS－i模块与带干扰源的设备不要安装在一起，如果要安装在一起，最好中间加一块金属板，并且两者的连接电缆不要放置在同一个方向或靠得太近，以免影响AS－i的通信质量。

(2)AS－i总线电缆尽量远离大电压的交直流电源线，从站模块尽量靠近传感器和执行器安装，缩短接线。黄色为AS－i电缆，棕色为正极，蓝色为负极。为了减少干扰，不要离电力线太近，对超过60VDC或250VAC的电缆，距离至少为10cm。对超过400VDC/AC的电缆，距离至少为20cm。不可避免要接近时，尽量正交而不并行。

(3)为提高抗干扰性能，传感器或执行器的接入端不能接入AS－i网络，无论是黄色扁平电缆的棕色线还是蓝色线都不可以接入接地端，否则会干扰网络的通信，如果有专用的接地端，又与AS－i系统隔离开，可以连接接地端，见图3。

图3 AS－i模块与带干扰源的设备安装示意图

(4)标准设备不能直接连接到AS－i网络，必须是通过ASI国际协会认证的设备才可以连接到AS－i网络中，因为它们带有特殊的过滤元器件，能从AS－i网络获得电源和信号以保证正常工作，这些设备上都有AS－i标志可以识别;AS－i设备上的端子接口AS－i+与AS－i–连接的导线不要分隔开来，使用时需包裹在同一根电缆外皮中，也就是尽量使用AS－i标准的黄色扁平电缆或圆形电缆，AS－i回路的对地平衡电路设计可以消除电流环和抑制噪声。AS－i模块尽量与所连接元器件靠近，两者之间的接线不要太长，在布线时注意不要靠近干扰源。

以上建议都是在现场安装时需要注意的，它可以保证AS－i系统在运行时正常工作，减少出错的概率，从而减少维护时间。工业现场各种类型的总线和设备在现场的运行，相互关联，一旦在现场出现问题，排查起来非常麻烦，会延误生产周期，时间过长会给用户造成很大的损失，所以在设备运行之前，根据产品手册做好安装布线是非常重要的。

5 结语

在项目的设计和施工过程中，设计者与产品供应商、系统配置商、以及施工单位及时沟通，发现问题及时协调处理，最终使项目成功开车。目前，该套AS－i控制系统已经稳定运行一年，控制可靠性较高，维护也比较省心省力。相信在不久的将来，随着AS－i技术的发展，AS－i产品的日益成熟，AS－i总线将会出现在越来越多的行业。

1 王俊杰，王 序.AS－i现场总线原理和系统［M］.机械工业出版社，2012.12.01.

2 马天庆.ASI在双向拉伸薄膜生产线应用中存在问题分析及对策 ［M］.河南化工，2010(07).

3 Frank Hinnah，Bernd Schneider.IFM AS － Interface manual，1st edition，2009.01.